核磁共振成像造影剂的发展现状

于兆臻，黄建雨，周赞民，李晓伟

(山东理工大学 材料科学与工程学院,山东 淄博 255049)

1 核磁共振成像

1.1 核磁共振成像的原理

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，即MRI)，是利用生物磁自旋成像的一种断层成像技术。其成像原理为做自旋运动的原子核在外加磁场下被射频脉冲激发后会产生信号，该信号被捕捉检测后经电脑的进一步处理可转化为屏幕上显示的图像[1-2]。目前多组织的MRI信号源首选为氢原子核，因为它对磁共振的灵敏度比较高，信号也比较强，而且氢原子本身遍布人的全身。而在人体组织的成像中，核磁共振成像最多是是使用以下几个参数间的差异成像：不同组织之间的参数差异以及正常组织与这个组织中的病变部分之间的参数差异[3]。氢原子核带有正电，且会进行自旋，它的自旋轴的排列一般是没有规律的，但它的自旋轴在外加磁场的作用下可以逐渐过渡到有序状态并最终达到平衡状态。在此状态下，如果核自旋系统受到射频脉冲的激发，就会引起共振效应。而当射频脉冲这个外界刺激消失后，已被激化的原子核会恢复到原来的平衡状态，这个过程被称为弛豫，原子核在恢复到原来的平衡状态这一过程会伴随能量的释放，能量的主要释放形式为射电信号，其频率与激励波相同，这种现象就是核磁共振。射电信号经捕捉与处理后就转化成了屏幕上的图像。

1.2 核磁共振成像的优点

在安全性上，核磁共振成像既没有外部创伤也没有辐射损伤。在灵活性上，核磁共振成像也具有可以扫描任意方位断层的特点，即核磁共振成像可以得到大多数成像技术得不到的图像。在分辨率方面，核磁共振成像对比其他成像技术也具有明显的优势，尤其是在软组织部分如直肠，关节与肌肉部分。而且核磁共振成像的成像参数较其他成像技术也比较多，而更多的参数往往便意味着更高的精确度以及更加宽广的应用领域与应用前景[4]。核磁共振成像已经是目前最有力的日常成像手段之一[5]。

1.3 核磁共振成像的发展历程

核磁共振现象由美国学者Bloch与Purcell于1946年首次发现，1972美国学者Paul C.Lauterbur首次提出核磁共振现象可以应用于成像，1973年第一张人体核磁共振扫描图像被获取，而仅仅十年之后，1983年核磁共振成像便出现了商业产品。在这之后，基于核磁共振现象开发的成像技术得到了飞速的发展。而自上世纪80年代以来，近四十年间电子技术与磁体技术也在不断地发展，软件编写技术也是日新月异，核磁共振成像技术的应用范围也随着这些技术的发展而越来越广，推动的一大批学科的研究进程，其精准度也在不断提高，甚至于还可以检测过去无法检测的疑难杂症。而随着时间的推移，核磁共振成像技术必然会越发的完善与精确，它的应用范围与前景也将更加广阔。

2 造影剂

2.1 核磁共振成像造影剂

核磁共振成像技术虽然具有高分辨率，参数较多，扫描断面较灵活以及较高的安全性等诸多优点，但临床医学发现，一些组织与肿瘤组织的弛豫时间是相互重叠的，几近无差别，非常容易使肿瘤组织与正常组织相混淆，这导致诊断及其困难。所以，为了使病变局部的信号与正常组织的信号之间对比更加明显，提高核磁共振成像诊断的准确性，灵活性与特异性，人们在核磁共振成像中引入了造影剂[6]。简而言之，造影剂就是为了提高病变组织与正常组织间的差别，主要为成像后的明暗对比，增强观察观察效果的对比剂。

造影剂用于临床必须符合以下几个条件：(1)足够的稳定性，在完成成像前不会被人体降解；(2)对人体的伤害较小或者根本对人体没有伤害，即低于临床允许的对人体的最低伤害；(3)具有较高的弛豫率；(4)在人体具有恰到好处的停留时间，而且在这之后能在一定的时间后排出体外，排出体外较为容易；(5)具有一定的组织器官选择性。

2.2 造影剂的原理

核磁共振成像的信号源多为氢原子，因为氢原子不但有较强的信号与较高的灵敏度度，而且还遍布人的全身。而核磁共振成像造影剂本身并不会产生信号，而是通过改变人体内某一后某些区域组织中的氢原子的弛豫效率，使成像后这些组织在图像中可以与周围组织形成比较鲜明的对比，这样间接地提高成像质量。核磁共振成像造影剂是顺磁性与超顺磁性物质，它们与氢原子核之间存在磁性的相互作用，其中一项表现为纵向弛豫率(1/T1)与横向弛豫率(1/T2)的改变，从而改善成像质量，提高成像的对比度与分辨率。而造影剂的弛豫率越大，它的造影效果就越好。

2.3 造影剂的分类

每一种分子成像都有其特有的造影剂，核磁共振成像也不例外。依照造影剂的作用机理，核磁共振造影剂主要分为T1加权的造影剂与T2加权的造影剂两大类别。而两种造影剂的差别便在于，这种造影剂影响的是纵向弛豫时间还是横向弛豫时间。对纵向弛豫时间影响较高的就是T1加权的造影剂，对横向弛豫时间影响较高的便是T2加权的造影剂。特别的，因为T1加权的造影剂会使其影响的区域的信号变强从而使得其变得比其他区域更明亮，所以又称阳性造影剂，目前广泛使用的多为钆离子的螯合物；而T2加权的造影剂则会削弱其影响区域的信号从而使这一区域的图像变暗，故而可以叫做阴性造影剂，T2加权的造影剂中比较有代表性的多为以Fe3O4为基底开发的造影剂。

另外，虽然T2加权的造影剂比较廉价，在人体内的循环时间比较长，同时也可以提高成像的对比度，但它使作用区域信号减弱的行为本身也会降低这些区域的成像质量，同时也容易与组织出血等图像混淆[7]，所以就目前来讲T1加权的造影剂的应用范围更加广泛。而T1加权的造影剂多为顺磁性物质，它们大多数分布于元素周期表中的镧系元素与第四周期的过渡元素中，因为它们拥有大量不成对的电子，这大大提高了它们的弛豫性能，其中单以结构论Gd3+是核磁共振成像造影剂的最佳选择之一。

2.4 造影剂的研究现状

核磁共振成像造影剂几乎是随着核磁共振成像技术的出现而出现的，早在1973年人类获取第一份人体核磁共振扫描图像时，最早提出核磁共振现象可以应用于成像的Paul C.Lauterbur便在他的文章中提出MnSO4可以作为核磁共振成像的对比剂来提高成像质量。但遗憾的是，早期的临床诊断中并没有意识到造影剂对诊断结果的影响，直到在临床应用中发现一些组织与肿瘤组织的弛豫时间是相差无几的，可能使肿瘤组织与正常组织的信号强度相似，这导致诊断难度增加。从这时起，造影剂的研究才开始提上日程。而最初投入市场使用的核磁共振成像造影剂，是钆离子的一种螯合物，Gd-DTPA ( 钆-二乙三胺五乙酸)，这种核磁共振成像造影剂在血脑屏障破裂和血管、血流动力学方面具有较高的灵敏度[8]，同时也是目前临床最常用的核磁共振成像造影剂之一。

但是，大量的临床病例表明，Gd-DTPA作为造影剂也有许多不理想的地方。首先Gd-DTPA对于组织器官没有选择性，对成像质量的提高幅度不大，这使Gd-DTPA的应用受到了一定的局限；其次钆基核磁共振成像造影剂在体内的循环时间较短，可经由人体的泌尿系统以较快的速度排出体外；最后，钆基核磁共振成像造影剂的价格一般较为昂贵，这使得钆基核磁共振成像造影剂在大规模使用时成本较高，从另外的方面限制了钆基核磁共振成像造影剂的应用。此外，钆离子本身还有一定的毒性。虽然目前的研究并不能揭示钆基造影剂与肾源系统纤维化这一病症之间的关系，但目前几乎所有的肾源系统纤维化病例都有过使用钆基核磁共振造影剂的经历，这值得警惕。在此同时，由于钆基造影剂的广泛使用，钆元素可能会在城市排水系统中富集，可能对生态系统造成影响。因此，我们需要一种能够代替钆基核磁共振成像造影剂的造影剂。而在研究的过程中，人们逐渐将资源投入到了锰基纳米材料造影剂与铁基纳米材料造影剂的研发中。其中锰基造影剂主要作为T1加权的造影剂使用，铁基造影剂大多为T2加权的造影剂，它们作为造影剂拥有较高的弛豫率以及较为低廉的价格，同时作为纳米材料，相比于常用的大分子造影剂来说，它们在人体内的循环时间也更长。

其中，对锰基材料研究开始的时间极早，早在1973年Paul C.Lauterbur便在他发表的文章中提及MnSO4，认为它可以作为核磁共振成像的对比剂来提高成像质量，但在这之后很长一段时间内，基于造影剂的研究进展缓慢的缘故，对锰基材料的核磁共振成像造影剂的研究一直没有什么比较大的进展，直至1997年，Lin等人[9-10]发现可以通过在生物体内直接引入外源性的锰离子来增强核磁共振成像信号，从而提高核磁共振成像质量，在他们的研究中，引入的锰离子被用来神经细胞功能活动的研究。近二十年来锰基核磁共振成像造影剂的发展主要为动物的脑成像，主要可概括为追踪神经纤维，研究大脑形态学以及对脑功能的成像。另外，一些对肝脏组织具有靶向性的含锰造影剂还可以被应用于对肝脏组织的成像研究，在检测胰腺细胞的数量从而诊断糖尿病这一领域，含锰造影剂也有一定程度的应用[11]。目前主要使用的含锰造影剂多为锰离子的小分子化合物，但这些造影剂都有着毒性过大这一问题，过量的锰离子会在大脑的黑质还有基底节等区域富集并沉积，排出体外较为困难，这会导致脑细胞死亡，进而引发帕金森综合症等临床症状，所以现在这些含锰离子的核磁共振成像造影剂还不能应用与人体核磁共振成像扫描。而其他商业化的锰基核磁共振成像造影剂大多为小分子或螯合物，它们的弛豫率比较低，而且在人体内的保留时间过于短暂，经人体的循环系统与泌尿系统后可能会以较快的速度排出。所以现在锰基造影剂的使用频率并不如其他种类的造影剂。

2.5 锰基造影剂的可行性以及研究现状

锰元素是人体必要的微量元素中的一种，因而人身体内部的锰元素的浓度可以被人体自身的循环系统自我调控，同时作为人体的必需元素之一，它对人体的破坏也比较小，即毒性较钆元素等大大降低。锰元素本身在元素周期表的第四周期过渡元素中，二价锰元素的最外层有5个未成对电子，这意味着锰元素的弛豫时间较短，可以显著降低周围氢原子核的弛豫周期。而对于造影剂而言，它的弛豫时间缩短，便意味着更高的弛豫率，它的成像效果就越好，能够更好地提高成像的对比度，从而明显提高成像质量。基于以上优势，锰基造影剂有可能成为最有希望代替钆基造影剂的T1造影剂[12-13]。

而自从1997年时MnCl2作为研究神经细胞的造影剂被首次报道以来，这二十年来又出现了新一批可作为T1加权的造影剂的锰基造影剂，比如MnO，Mn3O4，Mn3O4@SiO2和 MnO@mSiO2等[14-17]，但这些锰基造影剂的弛豫率(r1<0.5 mM-1·s-1)全部都不如目前投入商业使用的钆基造影剂(r1≈3.4 mM-1·s-1)。目前的研究发现，锰基造影剂的弛豫率可以通过提高锰离子的顺磁中心和水分子的相互作用效率来提高[18]，所以，目前设计效果更好的T1加权的造影剂的锰基造影剂的关键就在于提高锰的顺磁中心与水分子间的相互作用效率。介孔纳米材料由于它具备较大的比表面积，较大的孔径以及孔容高而在生物医药领域尤其是药物控释方面被大量应用[19]。在近几十年来，我们对于介孔结构在药物控释方面的机理有了深刻的研究与认识。而如果我们能够将锰的顺磁中心大量均匀地分布于介孔结构中，势必能够大大加强锰顺磁中心与水分子间的相互作用，从而提高锰基造影剂的纵向弛豫率[20-21]。近年来，中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林研究员领导的研究组在探索新型的氧化硅介孔结构MRI造影材料方面做了诸多工作,开发了多种锰基介孔MRI造影剂[22,23]。研究人员利用高锰酸钾分别对介孔材料MCM-41和SBA-15的表面活性剂进行氧化，在孔道表面成功负载了大量氧化锰纳米粒子，使材料的r1值达到2.28 mM-1·s-1，远高于单纯MnO纳米颗粒的r1值[22]。采用同样方法，利用氧化硅空心介孔球作为造影剂基体制备出了锰基介孔空心微球，独特的空腔结构实现了对药物分子的高效装载，虽然在中性(pH值=7.4)环境下r1较低(0.79 mM-1·s-1)，但在弱酸性(pH值=5.0)环境下的r1达到了8.81 mM-1·s-1的高值，大大提高了造影剂的成像效果[23]。

另外，最近的一些研究表明，硅酸根与某些金属离子如钙离子镁离子等可以发生简单的硅酸盐反应，而且对反应条件的要求也不高，反应生成的大量纳米级的金属硅酸盐相互堆积，就会产生拥有不同形貌特征具备多孔结构的而且材料表面均匀分布有大量金属离子的金属硅酸盐材料，很多时候多孔结构便意味着更高的比表面积，而金属离子在材料表面的大量均匀分布则意味着其顺磁中心与水分子间更强的相互作用。我们课题组在介孔硅酸锰的制备及应用上做了大量的工作，我们不使用表面活性剂，在包裹了氧化铁的氧化硅外表面原位生长出多孔结构硅酸镍，一步合成出了一类粒径可调的核壳结构的磁性复合硅酸镍多孔微球，利用孔道表面丰富的Ni2+对组氨酸重组蛋白的特异性螯合作用，成功实现了对重组蛋白的高效、快速磁分离及纯化[24]。此外，我们在氧化硅外表面原位生长出多孔结构硅酸锰，一步合成出了一类硅酸锰多孔微球，利用高比表面积的多孔结构实现了对抗癌药物盐酸阿霉素的装载，同时利用孔道表面丰富的Mn2+分布以及对肿瘤微环境的响应性，成功实现了对荷瘤鼠肿瘤的高效T1-MRI增强造影[25]。我们在常温常压水相中，利用硅酸盐反应一步合成出一类硅酸锰纳米颗粒造影剂，成功实现了对荷瘤鼠肿瘤响应性的T1-MRI增强造影，静脉注射该造影剂72 h后被小鼠完全排除体外，表现出优异的生物可降解性能[26]。

3 发展与展望

不过，锰元素毕竟只是人体所必需的微量元素而非常量元素，因而锰元素的毒性较低也只是相对钆元素而言，事实上目前几乎所有的锰基核磁共振成像造影剂都存在着毒性过大这一问题，而过量的锰元素有可能在大脑中的某些脑区富集并沉积，变得不利于排出体外。这些锰元素会杀死脑细胞，进而可能会诱发帕金森综合症等病症。目前主要的应对方式或者说研究方向有以下几条：像处理钆离子一样，选择能够与锰离子形成稳定配合物的较好的配体来降低毒性；还有一种方法是在锰基核磁共振成像造影剂中引入钙离子，钙离子在进入人体的过程中会与锰离子竞争，可以从物理方面降低人体对锰离子的吸收量，但这种方法因为不涉及对锰基核磁共振成像造影剂本身结构的修饰，所以对这种方法的研究与 使用较少。

纳米材料是三维中至少有一维尺寸在100 nm以下的材料或者直接由纳米单元构成的材料，其中我们称尺度至少在一个维度上达到纳米范围的材料为低维纳米材料。而其中纳米粒子材料凭借其特殊的物理化学性质，成为了越来越多研究者研究的重点。将纳米颗粒与顺磁性金属结合，不但可以提高它的弛豫率从而提高成像质量，还能提高其生物兼容性，另外，我们还可以设计一些纳米系统对某些组织特异性响应，从而极大地提高造影剂的对组织器官的选择性。比如肿瘤组织的检测，肿瘤组织相较于正常组织来讲它的化学微环境与正常组织间有一定的差异，它的pH值(5.4～6.8)[27]更低，以及谷胱甘肽的浓度2～7倍于甚至更高于正常组织(GSH=2～10 mM)[28]，这些特点使得存在设计纳米系统使其对肿瘤组织特异性响应的可能性。然而，就目前文献报道的多数纳米造影剂来讲，它们的制作工艺普遍较为复杂，这使得这些材料的制作成本居高不下，甚至相同成本下这些材料的弛豫率也比较低，这对于纳米造影剂以后的大规模生产以及更加广泛的应用较为不利。